自由表面附近仙人掌圆柱体涡激振动的抑制( Suppression of vortex-induced vibration of a cactus-inspired cylinder near a free surface )

Wei Wang Zhaoyong Mao Baowei Song Wenlong Tian

为了抑制位于自由表面附近的圆柱涡激振动(VIV)响应，采用了由仙人掌仿生肋启发的仿生肋。数值研究了自由表面附近Cactus激励柱体的VIV响应。雷诺数的范围为8.0×10≤Re≤5.6×10，佛汝德数的范围为0.08≤Fr≤0.56。圆柱体与自由表面之间的距离为2D(D为圆柱体的直径），并且具有高度比(Ks/D，其中Ks为肋的高度）的仙人掌启发的肋包括0.0(M1)、0.025(M2)、0.05(M3)和0.1(M4)。以远离自由表面的光滑圆柱体(M0)的VIV响应作为参考。不同的肋高比对靠近自由表面的圆柱的VIV响应有不同的影响。当Ks/d=0.1(M4)时，仿生肋对VIV响应的抑制作用最大。仙人掌激励圆柱体(M4)的最大横流振幅比、最大直线振幅比和最大平均阻力系数分别比光滑圆柱体(M1)低53.57%、53.13%和49.21%。仙人掌启发的圆柱体更容易从锁定区域去同步。自由表面使涡旋相变提前发生。自由面在高弗劳德数范围内对VIV响应有较好的抑制作用。当肋高比较小时(M2，Ks/d=0.025)，自由面增强了VIV响应。而当肋高比超过一定值(ks/d≥0.05)时，VIV反应主要受肋的影响。随着高比仙人掌激励肋的增大，涡相变的临界雷诺数减小。自由表面和仙人掌激励的肋有利于尾流的消散，导致尾流湍流强度的降低。由于仙人掌激励的肋可以使分离线远离圆柱体壁面发展，有效地控制了尾流强度，从而有效地抑制了仙人掌激励圆柱体的VIV响应。对于仙人掌激励的圆柱体，在高雷诺数范围内可以避免舞动响应，并在肋顶部发生附面层分离。与光滑圆柱体(M1)的附面层分离过程不同，仙人掌启发的圆柱体的肋破坏附面层，导致较小的涡流产生。

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